CN114865949A - 一种微型平板压电电机及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型平板压电电机及设计方法，涉及压电电机领域，所述微型平板压电电机包括：定子，所述定子包括金属基体和若干压电陶瓷片，所述压电陶瓷片对称设置在所述金属基体上；转子，所述转子安装在所述金属基体内；驱动件，所述驱动件设置在所述定子的内壁和所述转子之间，所述转子带动所述驱动件沿所述金属基体的轴线螺旋移动；支撑架，所述支撑架用于固定所述金属基体并对所述金属基体施加压力。本发明所提出的微型平板压电电机及方法，使得电机的尺寸更小，电机的输出性能更大，性能的可调范围更宽，特别适合于内窥镜、内窥胶囊和微量注射泵等需要微型化驱动器实现精密控制的医疗仪器领域。
Description
技术领域
本申请涉及压电电机领域，尤其涉及一种微型平板压电电机及设计方法。
背景技术
与传统的电磁电机不同，压电电机是一种新原理电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应使定子产生微幅振动，再通过定子和转子接触界面的摩擦作用将定子的微幅振动转换为动子的宏观运动。因此，压电电机具有结构紧凑、无电磁干扰、易于微型化和能量密度大等特点，这些特点使得压电电机能成功应用于数码相机、生物医学疗法、航空航天设备和精密系统等众多领域。
基于面内振动的压电电机由于其驱动能力强更是受到了广泛关注，其中最常见的面内振动电机是基于面内一阶纵振和二阶弯曲复合模态的矩形薄板面内振动型直线电机。薄板型电机的最大优势在于结构简单、扁平、自重轻、适合应用于轻、薄物体的运送，但是，对该类电机而言，纵弯复合模态的频率调谐限制了矩形板面内振动电机的长宽比，使得该类电机难于进一步微型化，限制了其在体内医疗器械领域的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请实施例的目的是提供一种微型平板压电电机及设计方法，以促进其在内窥镜、内窥胶囊和微量注射泵等需要微型化驱动器实现精密控制的医疗仪器领域。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种微型平板压电电机及设计方法，所述微型平板压电电机包括：
定子，所述定子包括金属基体和若干压电陶瓷片，所述压电陶瓷片对称设置在所述金属基体上；
转子，所述转子安装在所述金属基体内；
驱动件，所述驱动件设置在所述定子的内壁和所述转子之间，所述转子带动所述驱动件沿所述金属基体的轴线螺旋移动；
支撑架，所述支撑架用于固定所述金属基体并对所述金属基体施加压力。
进一步地，所述金属基体为黄铜或氧化铝材料制作而成。
进一步地，所述金属基体的内半径为0.5-3mm，厚度为0.5-3mm。
进一步地，所述金属基体为中空的正方体、正八棱柱或正十二棱柱，其中中空的圆柱体与所述正方体、正八棱柱或正十二棱柱同轴线。
进一步地，所述金属基体的棱处开圆角。
进一步地，所述压电陶瓷片通过环氧树脂胶对称粘贴在所述金属基体上，且所述压电陶瓷片沿其厚度方向极化。
进一步地，压电陶瓷片的长为0.6-3mm，宽为0.2-1.5mm，厚为0.1-0.3mm。
进一步地，所述驱动件为硬铝材料制作而成，结构为中空的薄圆筒或者开有外螺纹的柱体，其外半径为所述金属基体的内半径。
进一步地，所述支撑架为L型结构，所述支撑架的竖直部分为中空结构，紧固螺母穿过所述支撑架的竖直部分上的第一通孔，通过碟簧将压力均匀施加在所述金属基体上。
进一步地，所述支撑架的水平部分上开有用于固定所述支撑架的第二通孔。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请(1)相比于以往的压电电机而言，本发明提出的微型平板压电电机为薄平板结构，结构更简单，体积更小，有助于压电电机的进一步微型化。(2)本发明提出的微型平板压电电机采用低阶面内振动模态，所需的激励电压幅值小，简化了其驱动控制电路，有益于压电电机和驱动控制电路的集成化。(3)由于本发明提出的微型平板压电电机采用薄板的面内振动，因而在相同电压下产生的振动位移大，输出的力和力矩更大。综上，本发明所提出的微型平板压电电机及方法，使得电机的尺寸更小，电机的输出性能更大，性能的可调范围更宽。因此，本发明的技术进步是显而易见的，并且特别适合应用在内窥镜、内窥胶囊和微量注射泵等需要微型化驱动器实现精密控制的医疗仪器领域。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本发明实施例1示出的一种微型平板压电电机的三维结构图；
图2是本发明实施例1示出的一种微型平板压电电机定子的平面结构图；
图3是本发明实施例1示出的一种微型平板压电电机定子的三维结构图；
图4是本发明实施例2示出的一种微型平板压电电机定子的平面结构图；
图5是本发明实施例3示出的一种微型平板压电电机定子的平面结构图；
图6是本发明实施例4示出的一种微型平板压电电机定子的平面结构图。
附图标记说明：
11、金属基体；12、压电陶瓷片；13、驱动件；14、转子；15、支撑架；16、紧固螺母；17、碟簧。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
图1是根据一示例性实施例示出的一种微型平板压电电机的三维结构图，如图1所示，该微型平板压电电机可以包括定子、转子14、驱动件13及支撑架15，所述定子包括金属基体11和若干压电陶瓷片12，所述压电陶瓷片12对称设置在所述金属基体11上；所述转子14安装在所述金属基体11内；所述驱动件13设置在所述定子的内壁和所述转子14之间，所述转子14带动所述驱动件13沿所述金属基体11的轴线螺旋移动；所述支撑架15用于固定所述金属基体并对所述金属基体施加压力。
由上述实施例可知，本申请具有以下有益效果：(1)相比于以往的压电电机而言，本发明提出的微型平板压电电机结构更简单，体积更小，有助于压电电机的进一步微型化。(2)本发明提出的微型平板压电电机所需的激励电压幅值小，简化了其驱动控制电路，有益于压电电机和驱动控制电路的集成化。(3)本发明提出的微型平板压电电机产生的振动位移大，输出的力和力矩更大。综上，本发明所提出的微型平板压电电机及方法，使得电机的尺寸更小，电机的输出性能更大，性能的可调范围更宽。因此，本发明的技术进步是显而易见的，并且特别适合应用在内窥镜、内窥胶囊和微量注射泵等需要微型化驱动器实现精密控制的医疗仪器领域。
具体地，所述金属基体11可以为中空的正方体、正八棱柱或正十二棱柱，其中中空的圆柱体与所述正方体、正八棱柱或正十二棱柱同轴线，且所述正方体、正八棱柱或正十二棱柱的棱处可开圆角。所述金属基体11可以为黄铜、氧化铝等材料制作而成。在具体实施中，所述金属基体11的内半径为0.5-3mm，厚度为0.5-3mm。当金属基体的厚度与其内半径接近相同时，两模态的谐振频率最接近，此时，定子驱动面质点的输出位移达到最大。
具体地，所述压电陶瓷片12可以通过环氧树脂胶对称粘贴在所述金属基体11上，且所述压电陶瓷片12沿其厚度方向极化。在具体实施中，压电陶瓷片12的长为0.6-3mm，宽为0.2-1.5mm，厚为0.1-0.3mm。当压电陶瓷片的长宽比在1:3到1:2之间时，仿真得到的定子驱动面质点的输出位移达到最大。
具体地，所述驱动件13为硬铝材料制作而成，结构为中空的薄圆筒或者开有外螺纹的柱体，其外半径为所述金属基体11的内半径。该设计能简化电机的整体结构，易于进一步微型化。
具体地，所述支撑架15为L型结构，所述支撑架15的竖直部分为中空结构，紧固螺母16穿过所述支撑架15的竖直部分上的第一通孔，通过碟簧17固定所述金属基体11。更具体地，支撑架15为L形结构，其中，支撑架15的竖直部分为中空结构，用以固定金属基体11，并通过在支撑架15的竖直部分开第一通孔，以对金属基体11施加预压力。本实施例在支撑架15的竖直部分对称开4个第一通孔，紧固螺母16穿入支撑架15竖直部分的第一通孔，通过碟簧17将压力均匀施加在金属基体11上，该方式可以将施加的预压力仅作用在金属基体11上，以最大限度地减小预压力对定子共振频率的影响。
具体地，所述支撑架15的水平部分上还开有用于固定所述支撑架15的第二通孔，在具体实施中可将支撑架15固定在工作台上，以使得该微型平板压电电机可平稳工作。
实施例1：
压电陶瓷片12粘贴在金属基体11的外表面上，构成定子；转子14为有一定开口的圆环形结构，转子14通过螺纹内嵌在中空的金属基体11内，并通过螺纹驱动带动驱动件13沿金属基体11的轴线螺旋移动。支撑架15为L形结构，其中，支撑架15的竖直部分为中空结构，用以固定金属基体11，并通过在支撑架15的竖直部分开第一通孔，以对金属基体11施加预压力。本实施例在支撑架15的竖直部分对称开4个第一通孔，紧固螺母16穿入支撑架15竖直部分的第一通孔，通过碟簧17将压力均匀施加在金属基体11上，该方式可以将施加的预压力仅作用在金属基体11上，以最大限度地减小预压力对定子共振频率的影响。支撑架15的水平部分为也对称开2个第二通孔，用以通过第二通孔将支撑架15固定在工作台。
图2为本实施例中定子的俯视图，包括金属基体11和一组压电陶瓷片12，一组压电陶瓷片12包括两个。其中，金属基体11为黄铜制作而成，为中空的正八棱柱体，所述压电陶瓷片12分别通过环氧树脂胶对称粘贴金属基体11一底面相邻的两条边上，并沿其厚度方向极化。图3为定子12的三维结构图。当该微型平板压电电机工作时，需要在定子包含的一组压电陶瓷片11的外表面上施加单相(任选一个压电陶瓷片施加激励)或双相(两压电陶瓷片上施加相位差为90°的激励)交变电压，并且激励电压的频率在定子的两相面内振动模态的共振频率时，会激励出定子12的两相二阶面内振动模态。
当图2中的定子其内半径为3mm，以金属基体11内中空圆柱体的底面圆心为原点，水平方向为x，竖直方向为y，垂直于表面向外为z，金属基体11沿x轴方向的长度为2mm，沿y轴方向的宽度为2mm，沿z方向的厚度为2mm，且压电陶瓷片12沿x轴方向的长度为3mm，沿y轴方向的宽度为1mm，沿z方向的厚度为0.5mm时，经有限元仿真分析得到定子的两相面内振动模态的共振频率分别为50.959kHz和50.981kHz。当在定子中的一组压电陶瓷片12上任意一片施加峰值为50V的正弦交流电压激励时，测得定子驱动点上在x和y方向的最大振动位移分别为35.3μm和20.5μm。当在定子中的一组压电陶瓷片12上分别施加两相峰值为50V，相位差为90°的正弦交流电压激励时，测得定子驱动点上在x和y方向的最大振动位移分别为48.4μm和31.3μm。上述位移量能够满足实际的应用需求，而且远大于压电电机正常工作所需的值，表明本发明所提出的压电电机定子结构有助于放大定子驱动面质点的振动位移，能够提高面内振动型压电电机的输出性能。此外，由于本发明中微型平板压电电机的工作模态为两面内工作模态，因此，定子的长度并不影响其共振频率，即图2中定子的长度可以减小到更小。
实施例2：
为进一步增加电机的输出位移，本发明提出改进的定子结构，其俯视图如图4所示。包括金属基体11和两组压电陶瓷片12。其中，金属基体11为黄铜，两组压电陶瓷片12通过环氧树脂胶对称粘贴，并且每组包含两片，每组中的压电陶瓷片相邻粘贴，各压电陶瓷片沿其厚度方向极化。当在定子中的两组压电陶瓷片12上分别施加两相峰值为50V，相位差为90°的正弦交流电压激励时，测得定子12驱动点上在x和y方向的最大振动位移将是采用图2中所示的定子结构，并且在定子12中的一组压电陶瓷片20上分别施加两相峰值为50V、相位差为90°的正弦交流电压激励时产生的最大输出位移的2倍。
其它部分均与实施例1相同。
实施例3：
本发明还提出了如图5所示的定子结构，其与图2中所示的定子结构的区别是在金属基体上开圆角。经仿真分析得到，与图2中所示定子的性能相比，图5中所示定子驱动面质点的输出位移更大，具体的位移放大倍数与图5中所开圆角的半径有关。另外，同样可以在图5中所示的定子结构上粘贴两组压电陶瓷片，形成类似于图4的定子结构图。类似地，经过开圆角后，定子驱动面质点的输出位移同样比采用图4所示结构时更大，具体的位移放大倍数由所开的圆角决定。
其它部分均与实施例1相同。
实施例4：
本发明还提出了如图6所示的定子结构，其中11为金属基体，12为压电陶瓷片，金属基体11位中空的正方体，四个压电陶瓷片11分别通过环氧树脂胶粘贴在金属基体11的四个外侧面上。也可在图6所示的金属基体11的棱上开圆角，该结构下电机定子对称，简化了其两相工作模态的频率调谐进程，并且开圆角的设计有助于改进电机的输出性能。
其它部分均与实施例1相同。
另外，上述实施例中的压电陶瓷片12均可替换为多层堆叠式压电陶瓷和压电单晶PIN-PMN-PT:Mn材料。相比单层压电陶瓷片相比，相同激励电压下，多层堆叠式压电陶瓷和压电单晶PIN-PMN-PT:Mn材料的振动位移更大，有助于放大定子驱动面质点的位移，进而降低电机的驱动电压值，有助于驱动电路的进一步微型化，实现结构与电路的集成化设计。
本申请提供的一种微型平板压电电机的工作过程如下：
压电陶瓷片12在外加正弦交变电压的作用下通过逆压电效应激励出金属基体11的微观振动，通过与转子14间的摩擦作用驱动转子14旋转，转子14通过螺纹或胶接带动驱动件13运动，通过紧固螺母16，支撑架15和碟簧17调节预压力，进而改进电机的性能。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。
Claims (10)
1.一种微型平板压电电机及设计方法，其特征在于，所述微型平板压电电机包括：
定子，所述定子包括金属基体和若干压电陶瓷片，所述压电陶瓷片对称设置在所述金属基体上；
转子，所述转子安装在所述金属基体内；
驱动件，所述驱动件设置在所述定子的内壁和所述转子之间，所述转子带动所述驱动件沿所述金属基体的轴线螺旋移动；
支撑架，所述支撑架用于固定所述金属基体并对所述金属基体施加压力。
2.根据权利要求1所述的微型平板压电电机及设计方法，其特征在于，所述金属基体为黄铜或氧化铝材料制作而成。
3.根据权利要求1所述的微型平板压电电机及设计方法，其特征在于，所述金属基体的内半径为0.5-3mm，厚度为0.5-3mm。
4.根据权利要求1所述的微型平板压电电机及设计方法，其特征在于，所述金属基体为中空的正方体、正八棱柱或正十二棱柱，其中中空的圆柱体与所述正方体、正八棱柱或正十二棱柱同轴线。
5.根据权利要求4所述的微型平板压电电机及设计方法，其特征在于，所述金属基体的棱处开圆角。
6.根据权利要求1所述的微型平板压电电机及设计方法，其特征在于，所述压电陶瓷片通过环氧树脂胶对称粘贴在所述金属基体上，且所述压电陶瓷片沿其厚度方向极化。
7.根据权利要求1所述的微型平板压电电机及设计方法，其特征在于，压电陶瓷片的长为0.6-3mm，宽为0.2-1.5mm，厚为0.1-0.3mm。
8.根据权利要求1所述的微型平板压电电机及设计方法，其特征在于，所述驱动件为硬铝材料制作而成，结构为中空的薄圆筒或者开有外螺纹的柱体，其外半径为所述金属基体的内半径。
9.根据权利要求1所述的微型平板压电电机及设计方法，其特征在于，所述支撑架为L型结构，所述支撑架的竖直部分为中空结构，紧固螺母穿过所述支撑架的竖直部分上的第一通孔，通过碟簧将压力均匀施加在所述金属基体上。
10.根据权利要求9所述的微型平板压电电机及设计方法，其特征在于，所述支撑架的水平部分上开有用于固定所述支撑架的第二通孔。
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| CN101170289A (zh) * | 2007-09-26 | 2008-04-30 | 哈尔滨工业大学 | 磁力加压的预压力装置及使用该装置的微型面内超声电机 |
| CN112953298A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-11 | 重庆第二师范学院 | 一种扁平化超声电机 |
| CN114400924A (zh) * | 2022-01-24 | 2022-04-26 | 温州大学 | 一种单相激励的微型直线-旋转运动的两自由度压电电机 |
-
2022
- 2022-05-26 CN CN202210589512.0A patent/CN114865949B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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